6. Сферическая аберрация в растровой электронной микроскопии

Параллельный пучок электронов фокусируется электромагнитной линзой в некоторую точку, положение которой зависит от расстояния между лучом и оптической осью линзы. Более удаленные от оптической оси электроны фокусируются ближе к линзе. Это явление называют сферической аберрацией. В результате, в фокальной плоскости пучок собирается в пятно, радиус которого определяет предел разрешающей способности, оцениваемый по формуле:

где C_s – коэффициент сферической аберрации электромагнитной линзы; α – угловая апертура объектива.

Как следствие, при фиксированном значении коэффициента сферической аберрации имеется оптимальная апертура объектива, при которой он имеет максимальное разрешение. Оптимальная апертура объектива зависит от величины ускоряющего напряжения (длины волны) и коэффициента сферической аберрации линзы. Типичные значения этого коэффициента для электромагнитной линзы немного меньше 1 мм. Для C_s = 0,6 мм и длины волны λ = 0,0037 нм, соответствующей энергии электронов 100 кэВ, оптимальная величина а равна 8×10^-3.

7. Хроматическая аберрация в растровой электронной микроскопии

Хроматическая аберрация линзы обусловлена тем, что в магнитном поле быстрые электроны отклоняются гораздо слабее, чем медленные. Поэтому высокоэнергетичные электроны имеют большее фокусное расстояние, и в фокальной плоскости параллельный пучок собирается в пятно, радиус которого определяется разбросом энергии электронов и коэффициентом хроматической аберрации линзы.

8. Астигматизм линз

Осевая симметрия электрооптической системы чрезвычайно важна для работы электронного микроскопа. Юстировка и ориентация линз строго вдоль оси микроскопа является критическим фактором, определяющим работу прибора. Особенно важное значение имеет юстировка линзы объектива, чрезвычайно чувствительной к изменению размера, положения, диэлектрических свойств и загрязнению образца, а также апертуры объектива.

Осевая асимметрия системы выражается в зависимости фокусного расстояния от направления относительно оптической оси. В отличие от оптических линз, астигматизма электромагнитных линз избежать принципиально нельзя из-за их асимметрии и чрезвычайной чувствительности системы к разориентации и загрязнению образца. Тем не менее, величина астигматизма может быть снижена. Астигматизм системы уменьшают корректирующими катушками, магнитное поле которых перпендикулярно оптической оси и магнитному полю главных катушек. Токи корректирующих катушек регулируют, пытаясь достичь точной магнитной симметрии системы. Обычно используют четыре пары корректирующих катушек, образующих октополюсную антиастигматическую систему.

9. Электронная пушка растрового электронного микроскопа

Электронная пушка состоит из источника электронов (вольфрамовый катод; катод из гексаборида лантана LaB₆; автоэмиссионный катод), модулятора (цилиндра Венельта) и анода. Модулятор обычно находится под более отрицательным (на несколько сотен вольт) потенциалом по отношению к катоду, что позволяет сфокусировать электронный пучок в области, расположенной за модулятором, с диаметром d₀ и расходимостью α₀ и называемой кроссовером. Типичные значения d₀ и α₀ для электронных пушек, используемых в рентгеновских микроанализаторах и растровых электронных микроскопах, составляют d₀ ≈ 25–100 нм и α₀ ≈ (3–10)10^-3 рад.

Для вольфрамового катода при плотности тока J₀ = 175 А/мкм² и ускоряющем напряжении 25 кВ ток пучка составляет I_z = 100–200 мкА. Для получения достаточного разрешения обычно необходимо уменьшить размеры зонда до величины 50 Å–1 мкм, то есть в 10000 раз, при этом существенно уменьшается ток пучка до 0,01 нА